提高太阳能系统发电效能 微型逆变器提升光电转换率

Mohammad Kamil/Manish Sharma

目前市面上使用的太阳能逆变器,主要包括独立、联网及电池备份等三种类型。其中,联网型太阳能微型逆变器系配置于每一块太阳能板上,因而可大幅提高单一电池板的能源采集效率,达到最大的光电转换效能。

随着燃料成本不断攀升,以及世界各地对电能需求持续地增长,风能、水能、太阳能等可再生能源的利用变得越来越重要。可再生能源的应用范围非常广泛,举例来说,气流可用于运行风力涡轮机发电;水蒸汽或中等浪涌可以产生能量;植物材料可透过光合作用来发电;太阳能光电系统则可以将太阳能转化为电能。

目前最常见的太阳能技术就是单晶硅和多晶硅模块。太阳能电池的电路模型如图1所示,其电气特性如图2所示。这些太阳能光电模块的最大功率点(Maximum Power Point, MPP)电压范围通常定义为开路电压80~85%的范围和短路电流80~90%的范围。

图1 太阳能电池的简化电路模型

图1 太阳能电池的简化电路模型

电池是太阳能系统中的核心,其由半导体材料构成,具有类似于二极管的电气特性;事实上,太阳能电池是电能来源,而不是电负荷(二极管),因此当它与阳光等光能接触时,就能充当电源。

另外,太阳能电池是一种电流源而不是电压源。当连接不同负荷时,太阳能电池特性由电流位准和电压位准进行说明。当电池暴露在阳光下且未连接任何负荷时,则没有电流流动,而穿过太阳能电池的电压达到最大值,这称为开路电压(Vopen);太阳能电池连接负荷时,两个端子直接互相连接且电压为零时输出电流为最大值,在这种情况下,该电流称为短路电流(ISC),如图2所示。

图2 电流电压与光照之比较(36个电池串)

图2 电流电压与光照之比较(36个电池串)

太阳能电池效能的不同,具体取决于电池面板的大小或与其连接的负荷类型,以及面板光照(阳光强度的一个函数),这种效能称为太阳能电池特性,受光强度及温度的影响。不但电流与光强度成正比,电压也随着光强度级别波动而变化;但与太阳能电池温度变化造成的电压变化相比,温度所造成的电压变化较不明显,电池的温度增高减小了电压,增加少量电流。由此可见,光强度减小的变化比温度增加的变化产生更显著的效应,这适用于所有常用的太阳能材料。两种效应的重要结果是,当光强度减小或温度增高时,太阳能电池电量就会减小。

在定义系统配置方面,太阳能特性和对存储能量和所需用途的需求发挥重要作用。太阳能从家用离网独立系统演化为工业联网系统,经历了一连串的演变过程,系统配置要如何根据需求以及用途进行演进,而优化发电效能将是值得讨论的议题。

郊区家居系统是离网系统,因此没有连接交流电源线;城市房屋系统可能没有连接交流电源线(电网),因此系统可能是联网或是离网的。在联网系统中,当它产生剩余电量时,客户可以在白天将电量销售给电力公司,然后晚上从电力公司购买电量,离网系统使用电池备分存储电量,并按需提供交流输出;联网系统则不使用储能电池,因为剩余电量会回馈至电网。

提升阳光采集效率 太阳能逆变器逐步演化

同样身为太阳能系统核心的太阳能逆变器,主要的功能是将太阳能模块所输出的直流电转换为交流电,因此其发展演进将有利于太阳能的收集。

太阳能一开始用于小木屋系统,此类系统将最简单的12伏特(V)直流电源直接与电池连接,电池则连接灯具和其他12伏特直流电源的电器。

但是这种系统采用非常规充电,有损电池寿命。电线电阻和低电压直流电将功率限制到几百瓦,为了要增加功率位准和利用太阳能系统驱动各种负荷,逆变器可以用于将太阳能直流功率转换成为交流输出电压,如图3所示。

图3 逆变器将直流功率从太阳能转换为交流输出电压说明图

图3 逆变器将直流功率从太阳能转换为交流输出电压说明图

太阳能逆变器系统的发展演化,进而提升整个太阳能系统效率,并最大化从太阳能板收集来的光能。

以郊区农村房屋而言,其功率要求低,因此采用小型逆变器系统。在这个系统中,提供24~96伏特的高压太阳能电池板与逆变器连接后,产生120/240伏特交流电,可运行标准照明和电器,如图4所示。电池组可用于存储日间的太阳能,并按需提供交流输出,该系统采用常规充电方法提高电池寿命,较高的直流电压支持中等功率位准。

图4 郊区农村家居系统采用小型逆变器说明图

图4 郊区农村家居系统采用小型逆变器说明图

反之,城市房屋功率要求相对高些,因此城市采用大型逆变器系统。在城市家居系统中,提供200?400伏特的大功率高压电池板与逆变器连接后,在中等功率位准2~10千瓦(kW)产生120/240伏特交流电。

图5 城市家居系统中采大型逆变器说明图

图5 城市家居系统中采大型逆变器说明图

当采用大型集中式逆变器从太阳能面板直流电压中输出交流电时,这类系统配置会出现几个问题:逆变器可能会产生单点故障或两个故障,以及局部阴影下无法实现优化太阳能收集或串联的太阳能电池板不匹配。

太阳能电池若遭到树木、灰尘、云雾、鸟粪阴影遮挡,模块中的单个太阳能电池板,或该太阳能电池板受到损坏,其电流输出就与其他电池板的电流输出不匹配,因为太阳能电池是电流源,而电流源具有高阻抗。非阴影遮挡电池的高电流位准强制通过被遮挡的电池,被阴影遮挡电池之间会产生非常大的电压骤降,电池串的太阳能收集可能会降至50%;此外,大量电压骤降和高电流结合可能会损坏阴影遮挡电池(热点)。

图6 单逆变器系统会因为阴影遮挡因素,导致电池串几乎不产生电压

图6 单逆变器系统会因为阴影遮挡因素,导致电池串几乎不产生电压

单逆变器系统是最高电压电池串提供大量电量。由于阴影遮挡或温度更低,低电压电池串几乎不会产生电量;多逆变器系统是与输出电压无关的每个电池串将产生它能生成的最高电量,因为每个逆变器都在优化其电池串的电量输出。试验证明可以额外收集20?34%的太阳能。

对于大量的太阳能发电,数百个串联和并联的太阳能电池板可产生输出电压和电流。为了优化收集的太阳能,在每个太阳能电池串和集中式主逆变器之间连接小型直流对直流转换器,如图7所示。在每个逆变器模块上,可以单独安置直流对直流转换器。这种配置提高了太阳能收集但也产生两个问题:这种方法仍然易受单点故障影响,因为一个集中式逆变器采用从高压直流电输出的交流电压;还有,它涉及高压直流总线的配电的问题,由于高压直流电的保险丝难熔断,单逆变器增加了系统损耗和危险。

图7 具备多个DC-DC转换器的单逆变器示意图

图7 具备多个DC-DC转换器的单逆变器示意图

多电池串逆变器如图8,是并联太阳能电池板连接多个大中型逆变器(2?10千瓦),产生所需的交流电压,每次逆变器输出都是与电网并联的,并采用多个逆变器增强太阳能收集和系统可靠性。该系统避免了高压直流配电,并提高了太阳能采集水平。

图8 多电池串联逆变器说明图

图8 多电池串联逆变器说明图

与电网连接的太阳能微型逆变器,在该系统配置中,每个太阳能模块都结合自己的逆变器,如图9所示,形成独立的发电单位。逆变器与每个太阳能电池板的结合大幅降低人力安装以及人力维修的成本,并增强安全性,最大化太阳能的采集。因此,从传统逆变器到目前所发展出的太阳能微型逆变器,可以大致归纳出以下几点结论:

图9 与电网连接的太阳能微型逆变器

图9 与电网连接的太阳能微型逆变器

.从集中式逆变器转向分布式逆变器可以优化太阳能收集。
.将逆变器与太阳能电池板相结合降低了安装成本。
.采用软切换技术替代硬切换技术可提高效率并减少散热。
.降低转换器温度和除去风扇,可以将系统地可靠性从5年提高到20年。
.微型逆变器往往会降低几百瓦的功耗,产生更低内部温度并提高可靠性。
.标准化设计(硬件和软件)从家庭手工业到批量生产都提高可靠性并降低成本。
.由于失败率高,设计需要更高电压来降低电流,允许使用较低电容非电解电容器。
.因为电池非常昂贵,须要维护且寿命短,与电网连接的转换器让很多应用不再使用电池。
.微型逆变器太阳能系统需要很多逆变器来处理特定的功率位准,促进生产量,从而降低成本。

至于太阳能微型逆变器则有以下要求:

.最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)算法要求优化来自太阳能电池板的电量收集。
.系统效率大于94%(尽可能高)
.广泛的直流输入电压范围
.成本小于每瓦0.5美元(生产量)
.安全标准:故障检测和防孤岛效应
.交流品质:总谐波失真(Total Harmonic Distortion, THD)小于5%,以符合IEEE 519标准。

为了要提高功率位准和太阳能系统效率,太阳能和负载之间可以采用逆变器,目前市面上使用的太阳能逆变器有三种主要类型:独立逆变器、联网逆变器以及电池备份逆变器。其中,联网太阳能微型逆变器的系统设计能够在太阳能采集上达到最大化,降低安装人力成本并提高安全性,与中央逆变器系统相比,微型逆变器收集的太阳能够多出约35%。

(本文作者皆任职于飞思卡尔)

文章来源:新电子